用於柱形電池組的熱間隙墊的製作方法

2023-06-15 11:58:16

用於柱形電池組的熱間隙墊的製作方法
【專利摘要】一種電池組包括至少一個伏打電池模塊。襯底機械連接至模塊並且被配置為接收源自模塊的多餘熱量。將電絕緣熱間隙墊布置在模塊和襯底之間。熱間隙墊包括支撐可變形層的介電質片。
【專利說明】用於柱形電池組的熱間隙墊
【技術領域】
[0001]本申請涉及電化學工程領域，更具體地，涉及將柱形電池組保持在適合的工作溫度。
【背景技術】
[0002]電池組可包括串聯連接的多個伏打電池模塊以增大電壓或者並聯連接的多個伏打電池模塊以增大電流處理能力。在充電或放電過程中，模塊可產生多餘的熱量，而多餘的熱量可被釋放到周圍環境中以避免出現超溫的狀況。在極低的環境溫度下，可向電池組的模塊供熱以實現或維持適合的工作溫度。
[0003]電池組中的模塊可連接至可吸熱的襯底，例如，導入流水的襯底。模塊和襯底之間的高效熱傳遞可要求用導熱材料至少部分填充空氣隙一模塊之間的間隙、模塊和襯底之間的間隙等。然而，用作填隙料的矽脂等難以以一致的方式應用並且不可能提供充分的介電隔離。

【發明內容】

[0004]因此，本發明的一個實施例提供了一種電池組，其包括至少一個伏打電池模塊。襯底機械連接至模塊並且被配置為吸收源自模塊的多餘熱量。電絕緣熱間隙墊(thermal gappad)的部分被布置在模塊和襯底之間。熱間隙墊包括支撐可變形層的介電質片。
[0005]提供以上概要從而以簡化的形式介紹本發明選定的部分而不是確定關鍵或基本特徵。由權利要求限定的要求保護的主題既不受限於本概要的內容，也不受限於解決本發明所提及的問題和缺點的實施。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1示出了根據本發明實施例的電池組的實例的各方面。
[0007]圖2示出了根據本發明實施例的電池組的模塊的實例的各方面。
[0008]圖3示出了根據本發明實施例的套管和套管絕緣件。
[0009]圖4示出了根據本發明實施例的附加套管絕緣件。
[0010]圖5示出了根據本發明實施例的熱間隙墊的結構的實例。
[0011]圖6和圖7示出了根據本發明實施例的電池組的實例的附加方面。
[0012]圖8A、圖8B和圖8C示出了根據本發明實施例的具有垂直安裝的模塊的電池組的實例的各方面。
[0013]圖9A和圖9B示出了根據本發明實施例的非熱能電池組的實例的各方面。
【具體實施方式】
[0014]現在通過實例和參考以上所列的示出的實施例來描述本發明的各方面。可將一個或多個實施例中基本相同的元件標示成一致並且以最小的重複來描述。然而，應注意，標示一致的元件在某些程度上可有不同。還應注意，包括在本發明中的附圖基於工程模型並且可在一個非限制的實施例中按比例實現。在其他實施例中，可改變所示部件的相關尺寸。
[0015]圖1是示出了示例性的電池組10的方面的部件分解圖。在一個實施例中，電池組可用於或包括在電驅動或混合動力汽車中。
[0016]電池組10包括多個伏打電池模塊12，每個模塊都具有外部散熱片14。被配置為吸收每個模塊內部的熱量，散熱片可由諸如鋁的導熱材料製成。在示出的實施例中，每個模塊都為柱形伏打電池模塊，其包括定向於平面(以下稱為「電極面」)內的至少一個電極。電池模塊還包括第一襯底16A和第二襯底16B,兩者都被設置為平行於電極面。將第一襯底布置在多個模塊的第一側，而將第二襯底布置在與第一側相對的第二側。襯底機械連接至每個模塊並且被配置為接收模塊產生的多餘的熱量。在另一個實施例中，一個或兩個襯底可正交於電極面。
[0017]每個襯底都包括導熱板，S卩，冷板。襯底可由諸如鋁的導熱材料製成。此外，一個或兩個襯底可導入流體。例如，襯底可導入來自熱交換器(附圖中未示出)的水流。以這種方式，襯底可被配置為吸收模塊的多餘熱量或者在環境溫度低的條件下向模塊供熱。
[0018]圖2是電池組10的一個柱形伏打電池模塊12的平面圖。電池組的每一個模塊都包括多個套管18，通過套管使模塊連接至襯底。每個模塊還包括對應的多個套管隔離件
20。為了容置套管和套管隔離件,每個模塊都包括多個與套管配對(in registry)設置的穿孔21。每個套管隔離件都被配置為容納將容納於穿孔中的套管，並且使套管電隔離和機械隔離於模塊。圖2也示出了模塊壓縮帶23，其在壓迫條件下保持模塊的長度和壓力。可將模塊壓縮帶合適地容置於形成在電池模塊的散熱片14中的對應凹槽中。在一些實施例中，模塊壓縮帶可包括304不鏽鋼或另一導電材料。
[0019]圖3更詳細地示出了套管18和套管隔離件20的一個實施例。套管是模塊12與襯底16A或16B之間的承載接口。套管還提供了散熱片14和襯底之間的固定間隔。套管可由包括鋼的任何適合的材料製成。在本發明示出的實施例中，套管是圓柱形，但是也可考慮其他的幾何圖形。
[0020]為了電隔離套管18，套管隔離件20可由注塑塑料形成，例如，聚丙烯或諸如尼龍的聚醯胺。套管隔離件包括平面區22和圓柱形區24，其中，圓柱形區的軸被定向為垂直於平面區。當將其安裝在電池組10中時，使圓柱形區合適地放置在模塊12的通孔21中，同時平面區面向襯底16A或16B並且與襯底平行。圖4示出了可選的套管隔離件的實施例，套件隔離件的具體設計依賴於模塊的定位(例如，垂直或水平安裝)並且依賴於電池組的結構。
[0021]現在返回至圖1，電池組10包括電絕緣熱間隙墊26的多個部分。每個部分都被布置在模塊12與襯底16A或16B之間。例如，可將熱間隙墊布置在散熱片14和襯底之間。在該實施例和其他實施例中，可將熱間隙墊的附加部分布置在別處，例如，電池組的相鄰模塊之間。
[0022]熱間隙墊26是層狀的材料，其被配置為在其相對兩側的結構之間傳遞熱量，並且被配置為電隔離(即，絕緣)這些結構。熱間隙墊有效地填充了結構之間的間隙，從而將空氣全部或部分排出，否則這將限制導熱。在填充間隙的同時，熱間隙墊也用作結構性的目的，使得在施加較小壓縮力的條件下，電池、散熱片和襯底更為牢固地連接在一起，這減小了模塊上的機械應力。此外，熱間隙墊具有減震作用，這降低了在受到震動的電池組中誘發共振應變的風險。至於以上每一個特徵，熱間隙墊都優於矽脂，特別是考慮到許多電池組所共有的重複熱循環。這種循環使得矽脂隨著時間而移動，由此使得空氣進入到連接結構之間的間隙中。
[0023]圖5更詳細地示出了熱間隙墊26的示例性結構。熱間隙墊包括支撐可變形層30的介電質片28。可將熱間隙墊安裝在電池組10中，可變形層與模塊的散熱片14接觸，而介電質片面向襯底。以這種方式，熱間隙墊在散熱片和襯底之間的界面處提供有效的傳熱和介電隔離。
[0024]介電質片28提供將模塊12隔離於襯底16A或16B的介電隔離。介電質片可包括一種或多種聚合物材料:例如，低密度聚乙烯、聚四氟乙烯(PTEE)、尼龍或矽樹脂。在一個實施例中，介電質片可具有大於5000伏DC的介電強度。介電質片可以是機械性穩定的，抵抗由於熱應力和/或機械應力而造成的破壞(包括磨損)。介電質片可以是相對薄的材料，例如，厚度為80至100微米。它可具有相對高的導熱性。可根據ISBN0-7629-1049-6、標題為「UL840Insulation Coordination Including Clearances and Creepage Distancesfor Electrical Equipment」的說明書(下文中稱作UL-840)所提供的信息,計算適於該材料和其他材料的更具體的預期的厚度範圍和導電性範圍，並且該說明書的內容結合於此作為參考。
[0025]可變形層30可藉助於粘合劑或以其他任何種方式，直接置於(casted onto)介電質片28上或通過熱壓接合至介電質片。在一些實施例中，可變形層可彈性變形。因此，該層是機械順從的，能夠使其填充在模塊和襯底之間。如上所述，間隙填充不僅提高了傳熱，而且提供了改進的隔震和結構剛度。
[0026]可變形層30可包括開孔泡沫材料，例如，矽酮泡沫。在一個非限制性的實施例中，液體(例如，矽油)可全部或部分填充泡沫的開孔。在這些實施例和其他實施例中，可按配方製造可變形層以提供良好的導熱性，例如，在298開氏度時，導熱性為3瓦特/ (米?開爾文)。此外，可將可變形層的 硬度設置在預定級別，使其可在適合的壓力範圍內變形，同時也保護介電質片免於破裂。在一個實施例中，可變形層在未發生變形時，其厚度可介於1.1微米至1.2微米之間。至於安裝，可設置散熱片14和熱間隙墊26之間的界面壓力以確保適宜的熱量傳導和機械穩健性。因此，可設置套管隔離件20的大小以使熱間隙墊的壓縮最優化從而使熱阻抗最小。
[0027]再次返回至圖1，套管隔離件20的平面區22連同熱間隙墊26的互補部分形成基本連續的、未重疊的鑲嵌，這使模塊12分離於襯底16A或16B。這種布置還減小了透過套管18的漏電。在圖1中示出的實施例中，電池組10還包括介電質阻擋片的多個部分32，其被配置為設置在套管隔離件的平面區的上方並且補償熱間隙墊和套管隔離件的平面區之間的厚度差。介電質阻擋片可包括基本不能壓縮的介電材料，諸如，聚碳酸酯樹脂熱塑性塑料。在一個實施例中，介電質阻擋片可塗有壓敏粘合劑以易於粘合至套管隔離件和/或熱間隙墊。在一個實施例中，可選或附加地，可將壓敏粘合劑應用於襯底。
[0028]電池組10還包括多個介電質阻擋片條34，其被布置在相鄰電池模塊之間間隙上方的熱間隙墊和襯底之間。介電質阻擋部分和條形件，連同套管隔離件20和熱間隙墊起到維持套管18和其他導體(例如，襯底16A或16B、散熱片14或其他結構)之間的漏電距離。更常見地，套管隔離件、熱間隙墊以及介電質阻擋部分和條形件可被配置為實際上電隔離包括在電池組中的任何導體，例如，模塊壓縮帶23。介電質阻擋部分和條形件可設計成與本發明所預期的不同模塊和電池組的幾何形狀一致的不同形狀。
[0029]圖6是圖1中的實施例去除襯底16A後的頂視圖。圖7示出了在去除模塊和熱間隙墊部分之後的介電阻擋片中的部分32和條形件34的更詳細的視圖。
[0030]在以上所述的實施例中，襯底16A和16B被布置為與模塊12的水平電極面平行。在其他實施例中，電極面可垂直設置在每個模塊中，並且單塊襯底可被布置為與電極面正交，即，如圖8A所示，位於模塊下方。該附圖示出具有垂直安裝的模塊12的電池組10A。如之前實施例所述，模塊可利用熱間隙墊26部分和套管隔離件20連接至襯底。
[0031]在圖8A中，在模塊12的頂部上方布置籠部36以向電池組的模塊組裝提供結構。這樣，籠部可由鋼製造。圖8B示出了去除籠部後的圖8A的實施例，由此露出了基本上不可壓縮的介電質片狀材料40部分。介電質片狀材料使垂直安裝的模塊、模塊端部和母線(buss bar)隔離於導電籠部。圖8C示出了去除介電質片狀材料40後圖8B中的實施例，由此露出母線蓋38。將母線蓋設置在模塊的至少一個電極端子的上方，並且在介電質片狀材料的下方。
[0032]圖9A示出了非熱能電池組IOB中垂直安裝的模塊12。該組件可保持與上文所述的電池模總體類似的結構。模塊12可包括位於模塊底部的介電質片狀材料40以及介電質套管隔離件20E。圖9B示出了圖9A的實施例安裝籠部36並且旋轉。
[0033]應理解，以上所述的物件、系統和方法是本發明的實施例，即，也可為其設想很多變化和擴展的非限制性實例。因此，本發明包括本發明所公開的物件、系統和方法的所有新穎的和非顯而易見的組合和子組合以及其任何的和全部的等同替代。
【權利要求】
1.一種電池組，包括: 伏打電池模塊； 襯底，機械連接至所述模塊並且被配置為接收源自所述模塊的多餘熱量；以及電絕緣熱間隙墊部分，被布置在所述模塊和所述襯底之間，所述墊包括支撐可變形層的介電質片。
2.根據權利要求1所述的電池組，其中，所述介電質片的厚度介於80微米至100微米之間。
3.根據權利要求1所述的電池組，其中，所述介電質片具有5千伏特或更大的介電強度。
4. 根據權利要求1所述的電池組，其中，所述可變形層是彈性可變的。
5.根據權利要求1所述的電池組，其中，所述可變形層包括泡沫。
6.根據權利要求1所述的電池組，其中，所述可變形層在未發生變形時的厚度介於1.1微米至1.2微米之間。
7.根據權利要求1所述的電池組，其中，所述可變形層直接置於所述介電質片上。
8.根據權利要求1所述的電池組，其中，所述可變形層被布置為與所述模塊的散熱片接觸，而所述介電質片面向所述襯底。
9.根據權利要求1所述的電池組，其中，所述模塊包括外部散熱片，並且所述熱間隙墊部分被布置在所述外部散熱片和所述襯底之間。
10.根據權利要求1所述的電池組,其中,所述襯底導入流體。
11.根據權利要求1所述的電池組，其中，所述模塊是包括定向在平面內的至少一個電極的柱形伏打電池模塊，並且所述襯底包括導熱板。
12.—種電池組，包括: 伏打電池模塊； 襯底，機械連接至所述模塊並且被配置為接收源自所述模塊的多餘熱量； 電絕緣熱間隙墊部分，被布置在所述模塊和所述襯底之間，所述墊包括支撐可變形層的介電質片； 套管，所述模塊通過所述套管連接至所述襯底，所述模塊包括與所述套管配套設置的穿孔；以及 套管隔離件，被配置為容置將容置於所述穿孔中的所述套管，並且使所述套管電隔離和機械隔離於所述模塊。
13.根據權利要求12所述的電池組，其中，所述套管是圓柱形； 所述套管隔離件包括平面區和圓柱形區，使所述圓柱形區的軸線定向為與所述平面區垂直； 其中，將所述圓柱形區合適地放置在所述模塊的所述穿孔中，並且所述平面區面向所述襯底且平行於所述襯底。
14.根據權利要求13所述的電池組，其中，所述套管隔離件是放置於所述模塊的相應的多個穿孔的多個套管隔離件中的一個；以及 所述多個套管隔離件中的所述平面區連同所述熱間隙墊的互補部分形成使所述模塊分離於所述襯底的基本連續的未重疊的鑲嵌。
15.根據權利要求13所述的電池組，還包括:介電質阻擋片部分，被配置為放置於所述套管隔離件的所述平面區的上方並且補償所述熱間隙墊部分和所述套管隔離件之間的厚度差。
16.一種電池組，包括: 柱形伏打電池模塊，具有定向在平面內的至少一個電極； 襯底，具有平行於所述平面布置的導熱板，所述襯底機械連接至所述模塊，並且被配置為接收源自所述模塊的多餘熱量；以及 電絕緣熱間隙墊部分，被布置在所述模塊和所述襯底之間，所述墊包括支撐可變形層的介電質片。
17.根據權利要求16所述的電池組，其中，基本水平布置所述模塊。
18.根據權利要求16所述的電池組，其中，所述襯底是布置在所述模塊的第一側上的第一襯底，所述電池組還包括第二襯底，所述第二襯底平行於所述平面並且被布置在所述模塊的與所述第一側相對的第二側上。
19.根據權利要求16所述的電池組，其中，所述模塊是連接至所述襯底的多個電池模塊中的一個，所述電池組還包括布置在相鄰模塊之間的間隙上方的所述熱間隙墊部分和所述襯底之間的介電質阻擋片的條形件。
20.根據權利要求16所述的電池組，其中，所述襯底還被配置為向所述模塊供熱。
【文檔編號】H01M2/14GK103493242SQ201280019525
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年4月17日 優先權日:2011年4月19日
【發明者】阿蘭·阿里馬裡奧, 詹森·R.·戴維斯, 查德·艾利森, 喬納森·霍斯勒, 戴維·艾倫 申請人:A123系統股份有限公司